蒸汽疏水阀选型原则

罗晖 华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

蒸汽疏水阀选型原则

罗晖*华陆工程科技有限责任公司 西安 710065

根据疏水阀的国家标准和实际使用效果，采用定性、定量相结合的方法，分析蒸汽疏水阀的选型原则，提出选型建议。

蒸汽疏水阀选型

在工程设计中，蒸汽疏水阀不再仅仅是保证用汽设备高效工作、凝结水及时排出、蒸汽和凝液系统平稳运行的重要阀门，其“自动运行、阻汽排水”的节能功效已越来越凸显出来，全国在用的蒸汽疏水阀约1500万台，其中约50%因选型原因达不到漏汽量≤3%、使用寿命≥8000h的现行国标要求，每年因此损失约23000kt标煤。为提高能源使用效率并最大限度回收能量，针对不同的使用工况选择质量可靠、型号合适的蒸汽疏水阀便成为工程设计中一项重要的工作。

本文以甘肃某公司生产的蒸汽疏水阀为例，结合设计经验和现场实际使用情况，从工程设计的角度介绍蒸汽疏水阀选型原则和疏水量计算方法(带动力蒸汽疏水阀不在本文讨论范围)。

1 选型原则

根据蒸汽冷凝水的系统要求和疏水阀的特性参数，从过冷度、背压率、压差、疏水量和蒸汽压力5个方面，阐述疏水阀的选型原则。

1.1 过冷度

过冷度既是系统要求，也是疏水阀特性参数。

(1)当蒸汽设备要求加热速度快、温度控制严、不积存凝结水、严格保证传热效率时，系统要求蒸汽冷凝水的过冷度最小，应优先选用过冷度最小(≤5℃)的机械型疏水阀。

(2)当蒸汽设备对加热速度、温度没有严格要求，但积存的冷凝水会干扰蒸汽设备的稳定运行时，虽然系统对蒸汽冷凝水的过冷度无明确要求，原则上也应优先选用过冷度最小(≤5℃)的机械型疏水阀。

(3)当蒸汽设备有利用冷凝水显热的要求时(伴热管道等)，系统要求蒸汽冷凝水的过冷度较大，应选用过冷度大且可调(≥15℃)的热静力型疏水阀。

1.2 背压率

背压率为系统要求，允许背压率为疏水阀特性参数。

式中，PX为背压率;Py为允许背压率;P1为疏水阀进口操作压力，MPa;P2为疏水阀出口操作压力，MPa;P3为疏水阀进口试验压力，MPa;P4为疏水阀出口最大试验压力，MPa。

(1)本公式假定P1＞P2，P3＞P4。

(2)背压率和允许背压率公式相同，但所指不同。背压率是指实际操作环境下疏水阀前后操作压力的百分比，是系统要求;允许背压率是在不同蒸汽压力条件下，逐步提高疏水阀后压力直至疏水阀不能正常排出冷凝水的最大阀后压力与阀前压力百分比的平均值，是疏水阀的特性参数。因试验中的环境、介质运行平稳，背压变化缓慢，所以允许背压率实际上是该疏水阀的理想值或能达到的最大值，在实际应用中必须考虑到偶然因素给疏水阀动作带来的影响(如:季节变化、负荷波动等)，因此要求疏水阀允许背压率大于蒸气冷凝水系统实际背压率，两者差值不能太小，更不能相等。

(3)无背压蒸汽冷凝水系统对疏水阀类型无要求。

(4)有背压蒸汽冷凝水系统应优先选用允许背压率最高(80%)的机械型疏水阀;如因安装空间、安装形式、过冷度等因素限制，可改用允许背压率适中(50%)的热动力型疏水阀;当蒸气冷凝水系统要求有较大过冷度时(伴热管道等)，可选择允许背压率最低(30%)的热静力型疏水阀。例如:一般石油化工装置内P≥0.10MPa，且排放量≥100kg/h的冷凝水通过管网回收时，优先选用允许背压率最高的机械型疏水阀;反之P＜0.10MPa，且排放量＜100kg/h的冷凝水因压力较低、克服沿程阻力困难、且热能低无回收价值，可就地排入地沟时，选用允许背压率最小的热静力型疏水阀。

1.3 压差

压差为系统要求，最小允许压差为疏水阀特性参数。

(1)本公式假定P1＞P2，P3＞P4。

(2)压差ΔP1和最小允许压差ΔP2所指不同。压差是指实际操作环境下疏水阀前后操作压力差，是系统要求;最小允许压差是指在不同蒸汽压力条件下，逐步提高疏水阀后压力直至疏水阀不能正常排出冷凝水的最大阀后压力与阀前压力相减的平均值，是疏水阀的特性参数。因试验中的环境、介质运行平稳，阀后压力变化缓慢，所以最小允许压差实际上是该疏水阀的理想值或能达到的最小值，在实际应用中必须考虑到偶然因素给疏水阀动作带来的影响(如:季节变化、负荷波动等)，因此要求蒸气冷凝水系统实际压差大于疏水阀最小允许压差，当两者相等时，疏水阀将不能正常工作。

(3)当蒸汽用户为设备而非管道时，蒸汽管网压力不等于疏水阀进口操作压力，因容积突然变大的闪蒸(蒸汽由管网进入设备)，疏水阀进口操作压力必定小于蒸汽管网压力，一般取疏水阀进口操作压力=蒸汽管网压力－0.05～0.1MPa (G)，疏水阀出口操作压力取阀后最高工作背压(直排大气时为0)，这样就得到该工况下的最小压差，与计算得到的疏水量查表就可确定疏水阀的型号，同时因压差与疏水量成正比，疏水阀工作时压差增大疏水量可相应增大，这样就能保证即使阀后压力有较大波动，该疏水阀也能正常工作。

1.4 疏水量

疏水量既是系统要求，也是疏水阀特性参数。

1.4.1 开工时管道的冷凝水量

式中，G1为开工时管道的冷凝水量，kg/h;W1为管道重量，kg;W2为保温材料重量，kg;CP1为钢管材料比热容，kJ/(kg·℃)，(碳钢为0.469、合金钢为0.486);CP2为保温材料比热容，kJ/(kg ·℃)，(一般取0.837);TS为蒸汽温度，℃;T0为大气温度，℃;H1为工作条件下饱和蒸汽焓值，kJ/kg;H2为工作条件下饱和冷凝水焓值，kJ/kg; L为管道长度，m。

1.4.2 生产时管道的散热量

式中，G2为生产时管道的散热量，W/(m·h);TS为蒸汽温度，℃;T0为大气温度，℃;λ为保温材料的导热系数，W/(m·℃)，(一般岩棉为0.043);D1为保温层内径，m;D0为保温层外径，m;α为保温层外表面向大气的散热系数，W/(m2·℃);ω为风速，m/s。

1.4.3 生产时管道的冷凝水量

式中，G3为生产时管道的冷凝水量，kg/h;L为管道长度，m;H1为工作条件下饱和蒸汽焓值，kJ/kg;H2为工作条件下饱和冷凝水焓值，kJ/kg。

1.4.4 疏水量

式中，G4为开工时管道的疏水量，kg/h;G5为生产时管道的疏水量，kg/h;G1为开工时管道的冷凝水量，kg/h;G3为生产时管道的冷凝水量，kg/ h;N为安全系数(按文献1表B1所列)。

(1)蒸汽系统实际疏水量与疏水阀额定疏水量是不同的。蒸汽系统实际疏水量是指一定工艺条件下假定疏水阀连续排出冷凝水的计算值，是系统要求;疏水阀额定疏水量是指在相同工艺条件下一段额定时间内疏水阀排出冷凝水的实测值，是疏水阀的特性参数。考虑到绝大部分疏水阀间断排水的运作特点以及开车等的非正常工况，疏水量的计算值还需要乘以“安全系数”，才能得到用来选择疏水阀的额定疏水量。

(2)过热蒸汽的疏水量计算同上，只需将蒸汽焓值与过热温度一一对应即可，因浮球式疏水阀不耐水锤冲击，热静力型疏水阀不能用于过热蒸汽，因此高压、过热蒸汽一般选用热动力型疏水阀。

1.5 蒸汽压力

蒸汽压力为系统要求，用于确定疏水阀的最大允许压力。

在此处蒸汽压力是指蒸汽系统的设计压力，是系统要求;最大允许压力是指某一型号某一材质疏水阀能够承受的最大蒸汽压力，是疏水阀的特性参数。一般疏水阀最大允许压力＞蒸汽设计压力，但不能相差过大，因为最大允许压力(有时称为公称压力)过高的疏水阀在低操作压力工况下疏水量会相应减少，直接影响冷凝水排出效果。

2 案例分析

2.1 工艺条件

东北某化工厂装置管廊上主蒸汽管道低点选用圆盘式疏水阀排放蒸汽冷凝水，其工艺条件见表1。

表1 蒸汽管道工艺条件

2.2 故障现象

开车阶段升温发现该阀不动作，管内冷空气和初期冷凝水未排出，蒸汽管道伴有轻微水锤现象，打开阀前放净排放出空气和大量冷凝水后现象消失。

冬季蒸汽系统负荷较低时，该阀启闭件活动异常(发出“啪啪啪”频率较高的启闭响声)，当降至1/2正常负荷后，启闭件已不再闭合，二次蒸汽夹带少量冷凝水连续排出。

2.3 故障分析

开车阶段阀门开启度大，冷空气、蒸汽速度过快，当冷空气经过疏水阀时在启闭件两侧产生了流速差、压力差，闭合了启闭件，导致冷空气、初期冷凝水无法排出造成“气堵”现象。

冬季在室外极寒环境下，因蒸汽冷凝速度快，导致疏水阀启闭件频繁开关，此时如蒸汽负荷、压力降低很多，阀前又有较长的“冷凝段”，流经启闭件的蒸汽和冷凝水混合物的速度已无法在启闭件两侧产生压力差，导致蒸汽夹带冷凝水连续“喷放”的现象。

根据以上分析可知，该疏水阀型式不适当，应该重新选型。

2.4 计算

2.4.1 过冷度

虽然主蒸汽管道不要求100%无冷凝水出现，但考虑到蒸汽输送波动对工艺系统的影响，应尽量保证主蒸汽管道平稳运行，减少管道内冷凝水的存留量，最大程度的避免水锤，因此可初步选定过冷度最小的机械型疏水阀。

2.4.2 背压率

根据式(1)计算得:

背压率为0，对疏水阀类型无要求。

2.4.3 压差

根据式(3)计算得:

压差最大，对疏水阀类型无要求。

2.4.4 疏水量

(1)根据式(5)计算开工时管道的冷凝水量(升温时间按1h考虑):

(2)根据式(6)计算生产时管道的散热量:

(3)根据式(7)计算生产时管道的冷凝水量:

(4)根据式(8)计算开工时管道的疏水量(按文献1表B1所列，取N=3):

(5)根据式(9)计算生产时管道的疏水量:

2.4.5 蒸汽压力

饱和蒸汽设计压力为1.2 MPa(G)，可确定疏水阀允许压力范围为1.4～1.6 MPa(G)。

2.5 分析选型

(1)比较开工和生产时管道的疏水量:相差近10倍，但由于生产时管道的疏水量(27.9 kg/ h)太小，不好选型且相比开工时管道的疏水量(291 kg/h)在价格上无明显优势，因此按开工时疏水量291 kg/h选型。

(2)考虑到过冷度、疏水量等因素，决定选择额定疏水量较小、动作灵敏的倒吊桶式(机械型)疏水阀。

(3)根据压差(1.0 MPa(G))、疏水量(291 kg/h)、允许压力(1.4～1.6 MPa(G))，查甘肃某公司的产品样本可知:ES921－14(1.0 MPa(G)/370kg/h)倒吊桶式疏水阀能够满足要求。见图1。

3 选型建议

(1)当排水量≥15 t/h时，选用杠杆浮球式疏水阀。

(2)当排水量为8～15 t/h时，选用自由浮球式疏水阀。

(3)当排水量≤8 t/h时，选用倒吊桶式疏水阀。

图1 排量图

(4)主、支蒸汽管道和有背压蒸汽伴热管的疏水阀选用机械型。

(5)无背压蒸汽伴热管道选用热静力型疏水阀。

(6)高压、过热蒸汽选用热动力型疏水阀。

4 结语

(1)蒸汽疏水阀的疏水量随压差动态变化，压差越大，疏水量越大。

(2)过冷度、背压率、压差、疏水量、蒸汽压力五个方面可确定蒸汽疏水阀的具体型号。

1 GBT 12712－1991，蒸汽供热系统凝结水回收［S］．

2 中井多喜雄著．李坤英译．蒸汽疏水阀［M］．北京:机械工业出版社，1989．

According to national standards of the steam trap and the practical effects，using qualitative and quantitative combination method to analyze the selection principle for steam trap，and put forward the selection proposals．

The Principle for Steam Trap Selection

Luo Hui
(Hualu Engineering＆Technology Co.，Ltd.，Xi'an 710065)

steamsteam trapselection

*罗晖:高级工程师。1993年毕业于武汉化工学院有机化工专业。现从事石油化工工程的管道设计工作。联系电话:(029) 87989025。

(修改回稿2011－11－30)